用C80量热仪研究锂离子蓄电池材料热特性
锂离子电池或电池组热失控综合检测系统的制作流程
本技术新型属于锂离子电池技术领域，特别是一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统。
系统包括防爆试验室、模拟电池箱、热失控引发装置、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统、电池热失控视频记录装置；热失控引发装置通过导电柱与模拟电池箱相连，电池热解气体采集装置与模拟电池箱相连，电池箱内温度与压力在线测量与记录系统与模拟电池箱相连。
本申请的系统能够观察记录不同环境氛围、不同热失控引发条件下锂离子电池组失控效应参数变化，以及对气体产物的收集，能够探索电池组内某块电池发生热失控后对电池组内其他电池的影响等。
技术要求1.一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统，其特征在于，所述系统包括防爆试验室(1)、模拟电池箱(2)、热失控引发装置、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统、电池热失控视频记录装置；其中，所述热失控引发装置通过导电柱(19)与所述的模拟电池箱(2)相连，所述导电柱(19)与模拟电池箱(2)的密封盖通过密封结构实现密封，所述的电池热解气体采集装置与所述模拟电池箱(2)相连，所述的电池箱内温度与压力在线测量与记录系统与所述的模拟电池箱(2)相连，所述模拟电池箱(2)、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统中的测量部分、电池热失控视频记录装置放置在防爆试验室(1)内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导电柱(19)与模拟电池箱(2)的密封盖之间实现密封连接的密封结构包括两个梯形绝缘块和两个螺母，两个梯形绝缘块的截面呈等腰梯形，两个绝缘梯形块为等腰梯形较短的上底相邻的布置，且上下套装在导电柱(19)的外周，密封盖上设置有形状与绝缘梯形块相匹配的通孔，两个梯形绝缘块等腰梯形较长的下底通过螺母紧固，导电柱(19)上设置有与螺母相匹配的螺纹。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模拟电池箱(2)由满足材料强度和可燃性要求的材料制备，模拟电池箱(2)包括样品池和密封盖，样品池和密封盖之间设置橡胶垫片，样品池和密封盖由均布在四周的螺栓组实现夹紧密封；所述样品池其中之一的侧面设有圆形防爆玻璃窗，所述密封盖上还设置有温度传感器接口和多个气孔，电池或电池组放置在模拟电池箱(2)内。
一种测定锂离子电池用PTC材料性能的方法[发明专利]
![一种测定锂离子电池用PTC材料性能的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/82cbe273bf1e650e52ea551810a6f524ccbfcbac.png)
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201610023753.3(22)申请日 2016.01.14G01N 27/26(2006.01)G01D 21/02(2006.01)G01R 31/00(2006.01)G01R 31/02(2006.01)(71)申请人中国电力科学研究院地址100192 北京市海淀区清河小营东路15号申请人国家电网公司国网河北省电力公司(72)发明人范茂松 刘道坦 徐彬 于文海(74)专利代理机构北京安博达知识产权代理有限公司 11271代理人徐国文(54)发明名称一种测定锂离子电池用PTC 材料性能的方法(57)摘要本发明提供一种测定锂离子电池用PTC 材料性能的方法，该方法包括以下步骤：1)测量PTC 材料的玻璃化转变温度；2)测量PTC 复合电极发生PTC 效应的温度；3)测量PTC 复合电极的锂离子电池在不同温度下的电阻；4)检测PTC 复合电极的锂离子电池的电化学性能和安全性能。
通过对材料性能的测定，可以准确选择出适合锂离子电池用的PTC 材料，以提高锂离子储能电池的安全性。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页CN 106970123 A 2017.07.21C N 106970123A1.一种测定锂离子电池用PTC材料性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)测量PTC材料的玻璃化转变温度；2)测量PTC复合电极发生PTC效应的温度；3)测量PTC复合电极的锂离子电池在不同温度下的电阻；4)检测PTC复合电极的锂离子电池的电化学性能和安全性能。
2.根据权利要求1所述的一种测定锂离子电池用PTC材料性能的方法，其特征在于，氮气氛和以2-4℃/min升温速率下，用热重分析仪测量所述PTC材料的玻璃化转变温度。
3.根据权利要求2所述的一种测定锂离子电池用PTC材料性能的方法，其特征在于，PTC 材料用于所述锂离子电池的玻璃化转变温度为70～130℃。
锂离子电池可逆与不可逆生热特性研究
锂离子电池可逆与不可逆生热特性研究可逆生热特性是指在电池充放电过程中，由于电化学反应释放或吸收的热量可以完全利用的特性。
锂离子电池的可逆生热主要来自于锂的离子在正负极之间的迁移和嵌入/脱嵌过程中的电化学反应。
在充电过程中，锂离子从正极向负极迁移，同时通过化学反应与负极材料发生嵌入反应；在放电过程中，锂离子从负极向正极迁移，同时与正极材料发生脱嵌反应。
这些电化学反应释放或吸收的热量可以通过设计合适的散热系统进行控制和利用，以提高电池的能量效率。
不可逆生热特性是指在充放电过程中无法完全利用的热量。
不可逆生热主要来自于电池的内阻和电化学反应的不完全转化。
电池内阻会导致在充放电过程中产生大量的电阻热，这部分热量无法被利用，并会引起电池温升。
此外，电化学反应的不完全转化也会导致能量的损耗并产生额外的热量。
不可逆生热特性对电池的性能和安全性有着重要的影响。
首先，不可逆生热会导致电池温升，这可能引起热失控和安全问题。
其次，不可逆生热也会减少电池的可用能量，并降低电池的能量效率。
为了降低不可逆生热特性，可以采取以下措施。
首先，改进电池的设计，减小电池的内阻，以减少由于电阻热引起的能量损耗。
其次，优化电池的材料选择和制备工艺，提高电化学反应的转化效率。
此外，设计合理的散热系统，将电池产生的热量有效地散发出去，也是降低不可逆生热特性的关键。
在锂离子电池的研究中，对于可逆和不可逆生热特性的研究可以通过热分析技术（如差示扫描量热仪）和数值模拟方法来进行。
通过这些方法，可以测量和分析锂离子电池在不同充放电条件下的热量释放情况，并找到减少不可逆生热的途径。
总之，锂离子电池的可逆和不可逆生热特性对电池的性能和安全性有着重要的影响。
通过对其研究，可以提高电池的能量效率和使用寿命，并为电池的设计和制造提供指导。
热传递特性在锂离子电池中的应用研究
热传递特性在锂离子电池中的应用研究锂离子电池广泛应用于电动汽车、手机、笔记本电脑等领域，并且在未来能源领域的应用前景广阔。
其中，热传递是影响锂离子电池性能的一个重要因素。
本文将探讨热传递特性在锂离子电池中的应用研究，并分析其意义和发展趋势。
一、热传递特性对锂离子电池性能的影响锂离子电池在充电和放电过程中会释放热量，而能否及时有效地排放这些热量，就直接影响到锂离子电池的性能。
如果锂离子电池内部的温度过高，会影响电池的寿命和安全性。
过高的温度会导致电解液的分解，使得电池的容量下降和内阻增加，甚至引发火灾等安全问题。
因此，热传递特性对于锂离子电池的性能和安全至关重要。
二、锂离子电池中热传递特性的研究现状1. 测量技术测量技术是研究锂离子电池中热传递特性的基础。
目前常用的测量技术包括红外热像仪、热电偶、纳米热场电镜等。
这些技术可以实时测量锂离子电池内部的温度分布，并可以帮助研究员对电池进行优化设计和故障诊断。
2. 热模拟热模拟是指通过计算机模拟电池内部的温度分布和热传递过程，以预测锂离子电池的性能和安全性。
热模拟可以帮助优化电池的结构设计和材料选用，同时可以预测电池在不同工作条件下的热行为，为电池的使用和管理提供参考。
3. 热管理系统热管理系统是指通过控制电池内部的温度分布来保证电池性能和安全的一系列措施。
例如，可以通过增加散热片、风扇、热管等降温设备来提高电池的热传递能力，或者通过控制电池的充放电速率来减小电池内部温度的变化。
三、热传递特性在锂离子电池中的应用展望1. 锂离子电池的寿命和安全性将更好地得到保障热传递特性是锂离子电池性能和安全性的重要指标，可以帮助优化电池的结构设计和材料选用，同时可以预测电池在不同工作条件下的热行为，为电池的使用和管理提供参考。
未来随着锂离子电池应用领域的拓展和电池的规模化生产，热传递在锂离子电池中的应用将变得越来越重要。
2. 热管理系统的智能化和优化将是研究的热点未来，随着电动汽车、储能电池等领域的发展，对电池的使用寿命和安全性的要求将越来越高。
用C80量热仪研究锂离子蓄电池材料热特性
用C80量热仪研究锂离子蓄电池材料热特性锂离子蓄电池与其它电池相比，具有明显的优越性：电压高，放电平稳，比功率高，使用温度范围宽，容量小大由之，电性能稳定，自放电小，可长期存放高达10 a之久，因此也广泛用于各种电子产品中。
锂离子蓄电池的安全性也引起越来越多的关注，手机、微型电脑的锂离子蓄电池爆炸事故更是频繁发生，严重妨碍了锂离子蓄电池的大力普及和使用。
目前，关于锂离子蓄电池材料的热稳定性的研究主要采用加速量热仪(accelerating rate calorimetr y，ARC)或差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry，DSC)等设备。
由于ARC自身的限制，只能测试到放热反应，不能丈量有吸热现象的反应，因此实验结果可能与实际有一定的差别[1] 。
对于DSC，反应池的密封性能一直不理想[2]。
C 80微量量热仪是一种灵敏度非常高的新一代热分析仪，能很好地解决上述题目。
1 实验1.1 C80 微量量热仪C 80微量量热仪是法国Setaram公司在20世纪80年代初开发的新一代热分析仪，它的测试原理与DS C基本一致。
由于它的感度非常高(约为10-6μW，比DSC高2个数目级以上)，适用于化学反应的热特性测定。
另外，实在验时所用试样质量为1～10 g，比。
DSC大3～4个数目级，这也大大进步了实验精度，使其数据更为正确、可信。
C 80微量量热仪主要技术指标如下：丈量温度范围为室温至300℃;恒温控制精度为±0.001℃;升温速度为0.01～2.00℃/min;分辨率为0.1 mW;感度极限为1μW。
C 80微量量热仪由C 80量热炉、CS 32控制器、稳压电源三部分构成，为设定实验参数并记录实验数据，还需要一台计算机与CS 32控制器相连。
图1是一套微量量热仪C 80测试系统的构成。
图2是研究中常用的两种容器，压力测试容器和高压容器的内部容积分别为3.5 cm3和8.5 cm3。
一种锂离子电池热性能的测试方法[发明专利]
![一种锂离子电池热性能的测试方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c5e7e58325c52cc58ad6be81.png)
专利名称：一种锂离子电池热性能的测试方法专利类型：发明专利
发明人：翟文波
申请号：CN201210500019.3
申请日：20121130
公开号：CN102944575A
公开日：
20130227
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种锂离子电池热性能的测试方法，包括步骤：将电池充满电放入恒温箱中，实时检测电池的开路电压和电池表面温度；以预设电流进行放电操作，直到电池电量放电至预设荷电状态；实时检测不同放电时间点下电池的开路电压和电池表面温度，直至电池荷电状态等于零，获得电池的实际开路电压和实际开路电压温度系数B；对充满电的电池放电，实时检测上述不同放电时间点下电池工作电压U和电池表面温度T；计算所述不同放电时间点下电池的发热功率P。
本发明公开的一种锂离子电池热性能的测试方法，其可以方便可靠地对锂离子电池在放电时的热性能进行测试，准确获得锂离子电池在放电时的发热功率、发热功率随放电时间变化情况以及总发热量。
申请人：天津力神电池股份有限公司
地址：300384 天津市西青区滨海高新技术产业开发区(环外)海泰南道38号
国籍：CN
代理机构：天津市三利专利商标代理有限公司
代理人：闫俊芬
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锂离子电池充放电过程中的热特性研究
2.2环境温度的影响
为了研究外界环境温度对LiCoO2电池吸放热的影响，将电池放到等温量热仪中，并控制电池温度为20 ℃，通过充放电仪，将LiCoO2电池充至满电状态，并静置1 h，再在某一温度下进行恒流放电。在不同环境温度下，电池放热功率及放热量与时间变化曲线如图3所示。
在不同环境温度和不同放电倍率下，锂离子电池平均放热量如表2所示。由图3和表2可以看出，在同
1实验方案
为了实现不同倍率及温度的测试，锂离子电池热特性实验平台如图1所示。主要包括电池、等温量热仪、电池充放电柜等设备。测试电池为某公司生产的18650LiCoO2电池，容量为2 000 mA·h，标称电压为3.7 V。为了确保电池正常充放电，根据GB/T31486—2015[20]对充放电仪编写如下程序：充电时，设置恒流充电终止电压为4.2 V，恒压充电终止电流为10 mA;放电时，设置恒流放电终止电压为3.0 V。等温测量仪的作用是记录充放电过程中电池的吸放热数据及提供实验过程中所需要的环境温度，以此来模拟锂离子电池在不同环境温度下真实的吸放热状态。电池充放电设备为青岛美凯麟科技股份有限公司的MCT8-50-05充放电仪。实验过程中，锂离子电池置于isoBTC等温量热仪（设备可使用温度范围：-40～200 ℃，温度精度为0.01 ℃）内，在其表面布置温度传感器和功率加热片（将电池温度维持在设定温度），实时采集实验数据。
锂离子电池充放电过程中的热特性研究
一种圆柱形锂离子电池的热特性实验分析
一种圆柱形锂离子电池的热特性实验分析1 概述锂离子电池作为电动汽车较为理想的能量存储载体成为电动汽车领域应用广、发展快的电池之一，其大规模、大容量的应用模式要求对其电池使用特性进行全面深入的研究。
由于动力电池作为能量存储单元需要成组应用，在电解质、隔膜、包装工艺等因素的影响下，其电池工作热特性是影响动力电池性能、整车性能及安全性的重要因素。
在高温高功率的运行工况下电池充放电产生的热量无法及时散出，会引起电池内部热量的积累，温度的上升，如不加以控制会导致电池发生热失控，引起电池的燃烧或爆炸从而引发安全事故。
在低温下电池内部的电化学反应速度变慢，电池内阻增大，使得电池在低温下放电能力下降，特别是大电流放电能力，同时低温下电池对电流的接受能力也有较大程度的下降，使得电池低温下无法充电，或者只能使用小电流长时间充电，这直接影响到电池的运行状况和运营成本。
因此，拥有良好热特性的动力电池单体是电动车辆正常高效运行的保证，对电池单体的热特性试验研究可为电池的热管理系统以及电动汽车整车控制系统提供可靠的依据。
2 电池热特性试验本次试验使用的电池为某圆柱形电池，其外形如图1所示，其基本材料特性见表1。
利用导热硅胶将温度传感器（精度±2℃）粘贴在电池表面，4个单体上共排布了16个传感器。
传感器粘贴如图2所示。
该试验为电池的热特性试验，分别在外界环境温度-10℃、0℃、25℃和45℃的条件下，对四个电池进行0.5C、1C、2C和3C倍率的充放电的试验，记录了充放电过程中的电流、电压以及温度等参数的变化。
3 试验结果分析3.1 电池放电温升特性（1）不同倍率下电池单体放电温升取电池单体上的温度传感器的平均值为电池单体温度，比较在-10℃下不同倍率的溫升，结果如图3所示。
在-10℃下，随着放电电流的增加，电池的温度上升越快，并且温度极值越高。
放电初期电池的温升较快，紧接着温升幅度放缓并在后期的温度快速上升。
温升放缓的主要原因是放电过程温度上升，电池内阻随之降低;放电后期容量降低使得内阻增大的幅度大于温升使得电池内组减小的幅度，而导致温度快速上升。
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用C80量热仪研究锂离子蓄电池材料热特性
锂离子蓄电池与其它电池相比，具有明显的优越性：电压高，放电平稳，比功率高，使用温度范围宽，容量小大由之，电性能稳定，自放电小，可长期存放高达10 a之久，因此也广泛用于各种电子产品中。
锂离子蓄电池的安全性也引起越来越多的关注，手机、微型电脑的锂离子蓄电池爆炸事故更是频繁发生，严重妨碍了锂离子蓄电池的大力普及和使用。
目前，关于锂离子蓄电池材料的热稳定性的研究主要采用加速量热仪(accelerating rate calorimetr y，ARC)或差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry，DSC)等设备。
由于ARC自身的限制，只能测试到放热反应，不能丈量有吸热现象的反应，因此实验结果可能与实际有一定的差别[1] 。
对于DSC，反应池的密封性能一直不理想[2]。
C 80微量量热仪是一种灵敏度非常高的新一代热分析仪，能很好地解决上述题目。
1 实验
1.1 C80 微量量热仪
C 80微量量热仪是法国Setaram公司在20世纪80年代初开发的新一代热分析仪，它的测试原理与DS C基本一致。
由于它的感度非常高(约为10-6μW，比DSC高2个数目级以上)，适用于化学反应的热特性测定。
另外，实在验时所用试样质量为1～10 g，比。
DSC大3～4个数目级，这也大大进步了实验精度，使其数据更为正确、可信。
C 80微量量热仪主要技术指标如下：丈量温度范围为室温至300℃;恒温控制精度为±0.001℃;升温速度为0.01～2.00℃/min;分辨率为0.1 mW;感度极限为1μW。
C 80微量量热仪由C 80量热炉、CS 32控制器、稳压电源三部分构成，为设定实验参数并记录实验数据，还需要一台计算机与CS 32控制器相连。
图1是一套微量量热仪C 80测试系统的构成。
图2是研究中常用的两种容器，压力测试容器和高压容器的内部容积分别为3.5 cm3和8.5 cm3。
依据实验中各温度段的起始温度和初始温度设定，C 80实验主要包括恒温运行模式、恒定速率升温模式和台阶升温模式。
1.2实验样品
电解液的配制：在氩气手套箱内配制实验所用的电解液。
正极材料的预备：首先使用新威尔(Neware BTS 2300，深圳)电池测试仪将实验用LiCoO2/Li电池在4. 2～2.8 V之间进行3个充放电循环，充放电电流密度为0.2 mA/cm2。
将电池充电至4.2V后，恒压充电l h，然后在氩气手套箱内拆开电池，获取正极材料，并将取下的正极材料放在碳酸二甲酯(DMC)中清洗2次，以往除残留在活性材料中的电解液。
清洗后的电极材料在手套箱内干燥2 h，挥发掉DMC。
负极材料的预备：首先将实验石墨半电池在0～3.0 V之间进行3个充放电循环，充放电电流密度均为0.2 mA/cm2。
将电池放电至0 V后，使用与正极同样的方法获取负极材料。
2 研究方法
2.1 表征热稳定性主要参数
锂离子蓄电池材料在温度升高时发生分解，可以选用多种指标表征其分解特性，例如放热反应开始温度、反应热、表观反应活化能等[3]。
放热反应开始温度是指在一定条件下发生放热反应的最低温度，该参数反映了材料发生放热反应的难易程度，放热反应开始温度越高，发生放热反应越困难。
反应热(△H)是反应产物天生热与反应物天生热的差值，也即消耗单位反应产物所能开释的热量。
通常反应热越大，系统的温升越高，反应物可能就越不稳定。
表观反应活化能是引发化学反应所需要的能
量输进。
活化能越低，越轻易发生反应。
反应活化能的高低决定了发生反应的难易程度，与指前因子A 在一起表明反应速率常数的大小。
2.2热力学和动力学参数求解
利用微量量热仪C 80对样品在恒温、升温测试过程中的热流量进行测试，作为计算样品发生放热分解反应的化学动力学和热力学参数(包括反应级数、反应活化能、指前因子、反应热等)。
假设反应遵循Arrhe nius定律，因而反应速率方程可为[4]：
式中：
为转化百分率;A为指前因子，s-1;E为反应活化能，J/mol;R为气体常数，J/(K·mol);丁为系统温度，K;n 为反应级数;f为时间，s。
另外，M为任意时刻反应物质量，g;M0为反应物初始质量，g。
将x代人上式，可得如下方程[4]：
在反应的初始阶段，可以忽略反应物的消耗，因而M近似于M0，即可取M=M0。
引进反应热△H，化学反应的放热方程为[4]：
对式(3)取自然对数，可得[4]：
作
曲线，在反应的初期反应物消耗少，即可取M=M0，选择曲线中反应开始阶段的部分进行线性回回可以得到一条直线，从该直线的斜率和截距就可以得到反应的指前因子A和反应活化能E的值[4]。
图3为锂离子蓄电池常用的电解液、正极和负极材料的热稳定性曲线，其中电解液为1.0 mol/L LiPF6 /[碳酸丙烯酯(PC)+DMC]电解液，正极为脱锂Li0.5coO2，负极为嵌锂Li0.84C6，在氩气氛围下以0.2℃/mi n的升温速率升温至300℃。
从图3可以看出，该电解液在氩气氛围下的反应开始温度为170℃，在197.6℃达到放热峰，其反应热为311.3J/g，在217℃反应基本结束。
Li0.5coO2在170℃开始放热，在256.5℃达到放热峰，放热量为717.5 J/g，随温度的继续升高，Li0.5CoO2表现出继续放热的趋势，由于第一个主放热过程主导电池的热失控，因此没有采用其它量热工具对后面放热过程进行研究。
Li0.84C6在47℃就开始放热，在181℃达到放热峰，放热量为1 339J/g。
将电池材料在反应初期的热流速数据代人式(4)，以电解液为例，作
的关系曲线，再对该曲线进行线性回回可得一直线(见图4)。
从该回回直线的斜率可以求得电解液的活化能为276.4 kJ/mol，再根据它在纵轴上的截距可以求得该材料的指前因子为1.30x 1029s-1。
同样方法，可求得脱锂正极Li0.5CoO2的活化能和指前因子分别为99.8 kJ/mol和1.60×106 s-1。
负极有两个放热过程，第一个放热过程对电池发生热失控最为关键，求解得嵌锂负极Li0.84C6第一个放热过程的活化能和指前因子分别为101.3 kJ/mol和5.60× 109 s-1。
4 结论
锂离子蓄电池材料的放热反应开始温度、反应热、表观反应活化能等参数是评价锂离子蓄电池材料稳定性的重要参数，利用C 80微量量热仪能有效地探测这些参数，可求得电池材料分解的热力学和动力学参数，
进而有效地评价锂离子蓄电池材料的热稳定性和热危险性。
经研究表明该方法是一种安全、简便、实用的电池材料危险性评价方法，为安全使用
这类物质提供了有效的技术支持。